Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

[Napal]

Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Schönen guten Abend miteinander!


Habe denselben Thread auch schon im meisterkuehler-Forum gepostet, will ihn aber euch nicht vorenthalten.



Zu meiner Person:
Ich bin 26 Jahre alt und eigentlich ein alteingesessener "Luftkühler". Da aber nun ein neues Hobby in Form von einem reinen Hobby-Bastel-PC neben mir steht, hab ich den Entschluss gefasst, mich der flüssigen Kühlung zuzuwenden.
Da ich als CAM-Programmierer in einem Betrieb, der Prototypenwerkzeuge für die Kunststoffindustrie herstellt, arbeite, habe ich Zugang zu ganz feinen Maschinen^^ (Hermle C40, OPS 550 und alles, was in eine Werkzeugmacherfirma gehört), und kann diese auch alle am Wochenende frei benutzen.


Nunja, da lag der Entschluss nicht fern, soviel wie geht selbst zu bauen. Als erster Meilenstein steht nun ein Eigenbau-CPU-Kühler an. Ich lese schon eine Zeit lang hier im Forum und auch in anderen Foren alles mögliche bzgl. CPU-Kühler im Eigenbau. Nachdem ich mir alle gängigen Kühler aufmerksam angesehen habe, ging es auch schon an die Konstruktion. Ich stell euch hier einen Prototypen vor, der bisher nur im CAD vorhanden ist. Mit den Bildern erhoffe ich mir eine Resonanz und vor allem noch Verbesserungsvorschläge in Bezug auf die Konstruktion, bevor es ans Zerspanen geht.


Hier die komplette Baugruppe, allerdings ohne Normteile:
http://www7.pic-upload.de/09.02.11/jaht2pba8r.jpg

Die Kühlergrundplatte:
http://www7.pic-upload.de/09.02.11/v5q8xoqxohh1.jpg


Der Frame mit integrierter Jetplate:
http://www7.pic-upload.de/09.02.11/rvl1f5552kzv.jpg


Das "Case" von oben:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/479ry35n1l33.jpg


Und von unten:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/zxxldu5dqbt.jpg


Damit müsste die Konstruktion erstmal ausreichend erläutert sein


Da ich allerdings keine Lust habe, einen Prototypen zu bauen und dann zu merken, dass der Durchfluss misserabel ist, hab ich den Kühler noch einer Flow-Analyse durchzogen. Leider konnte ich kein Bildschirmvideo machen, daher als 4-Part-Bilderstrecke.


Part1:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/hvpo5idcerz6.png


Part2:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/qsbj2rbbsxyp.png


Part3:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/ity4r2bmj9s.png


Part4:
http://www7.pic-upload.de/thumb/09.02.11/vbgm3jnpc8gc.png


Noch ein paar Details zur Konstruktion:


-Kühlrippenbreite: 0.5mm
-Kühlrippenabstand: 0.62mm
-Kühlrippenhöhe: 3mm
-Verschraubung M3
-1/4" Anschlüsse
-Material Kühler: 2.0060
Frame: 1.4404
Deckel: 1.4404
-Durchflussberechnung mit 600l/h
-O-Ring Dichtung 180x1


So... Ich hoffe, dass das, was ihr hier gesehen habt, nicht gänzlich an euch vorbei geht. Falls ihr irgend welche Anregungen habt, immer her damit. Es ist wie gesagt ein Pionierschritt für mich. Geplanter Beginn für die Fertigung ist Ende nächster Woche. Kupfer ist unterwegs und kommt am Montag^^.


Noch eine kleine Anmerkung:


Dies hier ist nur der Prototyp. Eine optisch ansprechenderer Version ist momentan noch in der Entstehung. Evtl. will ich noch ein Werkzeug für den Deckel konstruieren und bauen, um diesen als Glasklares Spritzgussteil zu fertigen, allerdings ist das etwas aufwendiger :roll:


Vorab bedank ich mich schonmal für alle, hoffentlich, kommende Anregungen.

 

[Napal]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Die Simulation ist mit Solid Works 2011 gemacht. Das Modul ist das FlowExpress. Ist zwar nur das LightModul der Standart SolidWorks Lizenz, aber recht völlig aus für die Simulation mit einem Ein- und einem Auslass.

Die Bilder sind von der ForenSoftware teilweise verkleinert. Wenn du drauf klickst, müsstest du eig direkt zum Hoster mit den großen Bildern kommen.

Die Jetplate erhöht die Stromungsgeschwindigkeit im Zentrum des Kühlers. Allerdings hab ich durch einen Tipp im Meisterkuehler-Forum jetzt vor, die Öffnung Konkav anzuordnen, damit eine konstante erhöhte Stromungsgeschwindigkeit über der gesamten Kühlfläche vorliegt.

MfG

€dith meint:
Ok, jetzt hab ich gesehen, was du mit der Bildergröße meinst :-/
Werd morgen mal neue Bild-Links einfügen. Geht ja gar nicht so -.-

 

[frido007]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Was hältst du grundsätzlich von Fullcover Grafikkartenkühler? Ist so ein richtig schön aufwendiges Frästeil.

CPU Kühler gibt es eh schon sehr sehr viele...

Aber für den Anfang sicher nicht schlecht.

 

[VVeisserRabe]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Lad die bilder bitte im forum hoch, das verlinken zu ner andren seite ist extrem nervig

 

[rUdeBoy]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Ich setz hier mal ein ABO

Bastelprojekte sind immer schon zu verfolgen...
Und bis jetzt sieht es ja vielversprechend aus... da ist jemand vom Fach

 

[ruyven_macaran]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

So... Ich hoffe, dass das, was ihr hier gesehen habt, nicht gänzlich an euch vorbei geht. Falls ihr irgend welche Anregungen habt, immer her damit.

Anregung 1:
Lad die Bilder im Forum hoch oder verlinke wenigstens die große Ausführung

Anregung 2:
Wenn ich das richtig sehe, hast du rund um die Anschlüsse eine kleine Stufe und dann einen höheren Rand. Das gibt imho Ärger mit den O-Ringen. Entweder Flach bis ans Gewinde oder leicht konisch (je nachdem, ob die Anschlüsse eine Führung für die O-Ringe hat, oder ob Billigtüllen zum Einsatz kommen) - aber nicht mit Stufe.

Anregung 3:
Gestalte Ablaufkanal nicht mit konstanter Breite. Am äußeren Rand muss das Wasser nur durch ein winziges Stück Kühlstruktur - hier sollte der weitere Ablauf eng sein/einen hohen Wiederstand bieten, damit nicht zuviel Wasser die Abkürzung nimmt. Weiter zur Mitte ist der Kanal dagegen imho zu eng, damit das Wasser ohne hohen Wiederstand abfließen kann.

Anregung 4:
Generell erscheinen die Ausströmöffnungen sehr klein. Käme auf einen Versuch an, aber ich würde von 2-3mm weniger Kühlstruktur und einem größeren Ablauf ein bessere Verhältniss von Wiederstand und Leistung erwarten. Winkelförmige Öffnungen in der Zwischenplatte wären auch ein Ansatz bzw. kombinieren Anregung 3&4: Das Wasser hat einen größeren Querschnitte zum abströmen zur Verfügung und die Ablaufkanäle werden z.B. auf halber Länge deutlich höher.

Anregung 5:
Verschwende nicht zuviel Zeit auf Düsenoptimierung. Wie Tests beim Supreme HF zeigen, hat die Form eher wenig Einfluss. Wichtig ist, dass die Verteilung über die (bei dir unterschiedliche) Kühlstruktur und eine leichte Beschleunigung erfolgt. (wieviel/wie groß der Gesamtquerschnitt sein sollte, muss man sowieso testen)

 

[Uter]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

An deiner Stelle würd ich mir den EK Supreme LT als Vorbild nehmen.
So würdest du dir die Düsenplatte sparen und das Wasser würde den Kühler gleichmäßig durchströmen. Außerdem müsstest du dir (bei den doch recht breiten Kanälen) keine Gedanken um den Durchfluss machen.
Dort wo sich die innere Dichtung befindet würde ich noch eine Konstruktion einbauen, die Turbulenzen erzeugt (z.B. eine Formänderung der sonst geraden Kanälen und/oder einen unebenen Untergrund in den Kanälen, wie beim HF).
Wenn ich Zeit hab mal ich dir ein Bild. Wenn du beide baust und meiner besser ist, bekomm ich dann als Dankeschön einen geschenkt? Bzw. wenn der andere besser ist brauchst du ja meinen auch nicht mehr.

 

[ruyven_macaran]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Beim Supreme LT strömt das Wasser von einer auf die andere Seite - da wäre die unterschiedliche Länge der Kanäle ein noch größeres Problem, als jetzt, weil das Wasser auch die Randbereich ohne alzuviel zusätzliche Umwege erreichen kann. Mittige Anströmung ist da der bessere Weg und da er die Mittelplatte ohnehin für die Halterung braucht, kann er auch ein paar Schlitze integrieren.

 

[Uter]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Im Anhang mal ein kleines Bild wie ich mir den Kühler vorstellen würde...
rot = CPU
blau = Wasserkanäle
schwarz = äußeres Erscheinungsbild ohne Halterung

Durch die 90° Winkel dürfte es genug Turbolenzen geben und da die Struktur doch noch recht grob ist sollte der Durchfluss gut bleiben. Natürlich ist es nur eine Skizze und eine möglichst feine Struktur wäre sinnvoll.

 

[Napal]

Ebtschuldigt bitte, dass meine Antwort so lange auf sich warten ließ. Hab viel mit der Arbeit, der Kühlerentwicklung und meinem Thread im meisterkuehler-Forum um die Ohren. Aber hier kommt endlich ein Update

Erstmal danke für die reichhaltigen Tipps! Die Konstruktion hat sich nochmal einiges geändert. Hier mal ein paar(hoffentlich vernünftige) Bilder:
Baugruppe
VA-Case

Frame

Jetplate

Das Herzstück

Flow-Analyse
räumliche Abbildung

Draufsicht

Damit der Flow etwas deutlicher wird, hier eine 4-teilige Bildfolge der Analyse.

Part1

Part2

Part3

Part4

Bitte lasst euch nicht durch die wenigen Flow-Lines in den Kühlrippen irritieren. Das liegt nur an der Software. Natürlich werden alle Rippen durchströmt.
Hier der Link zum Album: Die Hardware-Community für PC-Spieler - PC GAMES HARDWARE EXTREME - Alben von Napal: Kühlerentwicklung

So, ich hoffe, die Bilder sind diesmal besser. Bin in der abschließenden Konstruktionsphase. D.h. noch sind änderungen möglich .

Wer also noch Tipps zum Flow hat, immer her damit. Ein Gimmick ist noch in Planung, was hauptsächlich Modder ansprechen dürfte. Aber kann das noch nicht posten, da ich den Kühler zu deutschen Kühler-Meisterschaft angemeldet hab. Und ein bißchen Überraschung muss ja sein

Sorry für Doppelpost

Im Anhang mal ein kleines Bild wie ich mir den Kühler vorstellen würde...
rot = CPU
blau = Wasserkanäle
schwarz = äußeres Erscheinungsbild ohne Halterung

Durch die 90° Winkel dürfte es genug Turbolenzen geben und da die Struktur doch noch recht grob ist sollte der Durchfluss gut bleiben. Natürlich ist es nur eine Skizze und eine möglichst feine Struktur wäre sinnvoll.

Das wäre eine Überlegung wert. Werde das nächste Woche mal durch simulieren. Wäre es aber nicht sinnvoll, Turbulenzen direkt über der DIE zu haben. In deiner Skizze entwickeln sie sich erst am Rand der DIE. Kann aber auch sein, dass mein Verständnis für Strömungen da was falsch versteht

 

[Uter]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Ist ja nur eine Skizze und ein Bsp. Im Prinzip könntest du auch 4 solcher senkrechten Verbindungen einbauen und über die ganze CPU verteilen... (müsste man testen was sich am besten macht)
Was für den Rand sprechen würde ist das viele CPUs leicht konkav sind und damit der Anpressdruck am Rand am höchsten ist. Außerdem befindet sich in der Mitte ein Kanal weniger und damit ist die Strömungsgeschwindigkeit dort eh erhöht (wie unter der Düsenplatte auch).

 

[VJoe2max]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

"Turbulenzen" im Sinne von Verwirbelungen sind für gute Kühlwirkung nicht zwingend nötig. Man braucht nur eine turbulente Strömung. Das hat aber nichts mit Hindernissen oder makroskopischen Verwirbelungen durch ebensolche zu tun. Das erreicht man auch ohne irgendwelche Hindernisse an denen Verwirbelungen auftreten . Die Strömungsgeschwindigkeit muss einfach so hoch sein, dass die kritische Reynoldszahl im betroffenen Querschnitt deutlich überschritten wird. Nach dem laminar-turbulent Übergang verbessert sich der Wärmeübergangskoeffizient automatisch enorm, da da die laminare Grenzschicht damit aufgelöst wird.
Alle Speedchanel-Kühler basieren im wesentlichen darauf und viele Kühler dieser Bauart (EK Supreme HF, Watercool HK3, u. a.) liegen auf dem derzeitigen Top-Niveau unter den CPU-Kühlern .

Hindernisse im Wasserweg die das Wasser künstlich verwirbeln sind nur nötig wenn man die Strömung sonst laminar bzw. nur schwach turbulent wäre (in HighFlow-Kühlern z.B. die sonst noch schlechter kühlen würden). Eine Kombination aus beiden kann u.U. noch etwas mehr bringen aber man muss auch beachten dass Hindernisse die Strömungsgeschwindigkeit in den Bereichen in denen das Wasser ungehindert strömt auch beschränken, da sie auch Strömungsswiderstände darstellen. Es gilt also einen guten Kompromiss zu finden oder eine der beiden Methoden zur Grenzschichtüberwindung auf die Spitze zu treiben.

 

[_chris_]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Ich finde deinen Kühler schon echt gut, dazu muss man sagen dass ich noch nicht so richtig viel Ahnung habe von der Materie, besser gar keine Ahnung. Aber sieht aus als würde das funktionieren.

Aber die Oberfläche ist echt schön. Passt gut zu den ROG Boards.

Wenn du das Teil herstellst würde ich das so kaufen, wenn denn der Preis stimmt.
Achja auf AM3 muss es auch passen, aber ich denke das kommt später, wie auch noch die Feinabstimmung der Optik.

Pass aber auf das du die Anschlüsse ja nicht zu nah aneinander setzt.

Weiter so!

MfG

 

[Uter]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Die Strömungsgeschwindigkeit muss einfach so hoch sein, dass die kritische Reynoldszahl im betroffenen Querschnitt deutlich überschritten wird.

Stimmt natürlich aber mein Denkansatz war folgender:
Die von dir genannten Kühler besitzen alle eine sehr feine Struktur, durch die die Fließgeschwindigkeit deutlich gesteigert wird. Bei selbst gebauten Kühlern ist das extrem schwer zu erreichen (wobei hier ja scheinbar auch schon ziemlich genaue Maschinen benutzt werden sollen, wie genau die sind weiß ich nicht). Deshalb ist es auch schwer die Strömungsgeschwindigkeit aktueller Hochleistungskühler zu erreichen.
Wenn die minimale Breite der Kanäle ziemlich groß ist könnte man die Strömungsgeschwindigkeit auch durch das nutzen von weniger Kanälen steigern, aber das würde deutlich weniger Oberfläche bieten und deshalb vermute ich, dass man um künstliche Turbulenzen nicht herum kommen wird. Das wird sich aber in Tests zeigen.

@ Optik:
Versenkte Schrauben würden noch besser aussehn.

 

[prost]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Das Design, besonders den Deckel, finde ich sehr gelungen
(Von dem anderen hab ich jetzt nich so die Ahnung aber so lange die Leistung stimmt )
Der Deckel wird POM oder?

 

[ruyven_macaran]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Ebtschuldigt bitte, dass meine Antwort so lange auf sich warten ließ. Hab viel mit der Arbeit, der Kühlerentwicklung und meinem Thread im meisterkuehler-Forum um die Ohren. Aber hier kommt endlich ein Update

Erstmal danke für die reichhaltigen Tipps! Die Konstruktion hat sich nochmal einiges geändert. Hier mal ein paar(hoffentlich vernünftige) Bilder:

Das ist in der Tat eine größe Änderung

Was mir auffällt:

- Die untere Dichtung in der Explosionszeichnung liegt falsch
- Die Detailansicht der Zwischenplatte ist Spiegelverkehrt
- Die im wesentlichen Sechseckige Struktur könnte man auch ungedreht und deutlich größer fertigen, so dass der komplette Mittelbereich von Kühlrippen bedeckt wird und die Abflussbereiche sich bis zwischen die Halterungslöcher erstrecken
- Das ganze ist so unmöglich zu fertigen. Die Düsenplatte müsste man bereits Lasern, aber die Facetten in den Abflusskanälen sind Mord für jeden Fräser. Da müsstest du mit winzigstem Werkzeug dran und das würde ewig dauern. Die Feinheit der Lamellen ist auch extrem abitioniert.

Änderungsvorschläge somit:
- Boden der Abflusskanäle eben
- Außenkante der Abflusskanäle nicht spitz auf die äußersten Lamellen zulaufen lassen, sondern auf einen Punkt 1-2-3mm vor deren Ende
- Damit das Bequem passt: Kühlstruktur um 45° drehen = parallel zur Halterung und sechseckigen Querschnitt für den wasserführenden Bereich

Zusätzlich:
Umriss der Lamellenstruktur rechteckiger gestalten. Die äußeren Lamellen können dann ruhig länger werden, die Spitze würde ich ganz abschneiden, ggf. sogar die mittleren Lamellen etwas kürzer gestalten (passend zur doppelten Öffnung in der Düsenplatte), dann hat man einen großen Sammelbereich unter den Auslässen auch wenn die (vergrößerte) Kühlstruktur einen größeren Bereich des wasserführenden Bereichs einnimmt, als bisher.

(siehe unten. Vermutlich muss man die Zwischenplatte und den Deckel noch etwas verbreitern, um beide Auslässe bequem zu einem Auslass zusammen zu führen)

 

[VJoe2max]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

@Uter: Mit Napals Maschinenpark ist es möglich so feine Strukturen herzustellen . Daran wird´s nicht scheitern. Die Kanäle die er vorgesehen hat sind schon ziemlich schmal. Mit entsprechenden Kreisslägeblättern wären mit seinem Equipment auch locker die Strukturbreiten eines AC Kryos drin und das ist afaik momentan der kommerzielle Kühler mit den feinsten Lamellen und Kanälen.

 

[Napal]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Pass aber auf das du die Anschlüsse ja nicht zu nah aneinander setzt.

Ja das ist ein Problem. Der vorhandene Platz ist einfach sehr beschränkt. für die Montage an meinem Kühler muss man schon eine optimierte (sprich, abgedrehte) Nuss verwenden, da ich nur 1,5mm zum anderen Anschluss habe. Aber so ist der Ströungsfluss einfach am besten (laut Simulation, auf die man ja auch nicht zu viel geben darf).

"Turbulenzen" im Sinne von Verwirbelungen sind für gute Kühlwirkung nicht zwingend nötig. Man braucht nur eine turbulente Strömung. Das hat aber nichts mit Hindernissen oder makroskopischen Verwirbelungen durch ebensolche zu tun. Das erreicht man auch ohne irgendwelche Hinterenisse an denen Verwirbelungen auftrteten . Die Strömungsgeschwindigkeit muss einfach so hoch sein, dass die kritische Reynoldszahl im betroffenen Querschnitt deutlich überschritten wird. Nach dem laminar-turbulent Übergang verbessert sich der Wärmeübergangskoeffizient automatisch enorm, da da die laminare Grenzschicht damit aufgelöst wird.
Alle Speedchanel-Kühler basieren im wesentlichen darauf und viele Kühler dieser Bauart (EK Supreme HF, Watercool HK3, u. a.) liegen auf dem derzeitigen Top-Niveau unter den CPU-Kühlern .

Ha, ein bekanntes Gesicht, ähhhh, Avatar^^. Hier hast du aber schön fachlich beschrieben, wie es abläuft. Nach den ersten paar Zeilen dacht ich erst, ich hab nen Aerodynamik-Prof vor mir^^. Aber ein zweites mal lesen half ganz ungemein. Danke nochmal für die Auffrischung VJoe2max^^.

Wenn du das Teil herstellst würde ich das so kaufen, wenn denn der Preis stimmt.
Achja auf AM3 muss es auch passen, aber ich denke das kommt später, wie auch noch die Feinabstimmung der Optik

Der Kühler ist für AM3 gebaut . Preislich ist das allerdings ein Grab. Würde man den Kühler in einer Firma wie die, in der ich arbeite, bauen lassen, kämen ganz grob schätzungsweiße zwischen 1000 und 3000€ bei raus. Natürlich als Prototyp und nix mit Serie. Wenn jetzt der Deckel noch aus POM wäre, der Frame aus PC und der Kühler frästeschnisch optimiert und dann das ganze noch in Serie, käm man wahrscheinlich auf 100-150€, vllt auch unter 100€. Aber das sind alles nur Mutmaßungen und spielen hier auch keine Rolle (noch nicht ).

 

[Napal]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

(wobei hier ja scheinbar auch schon ziemlich genaue Maschinen benutzt werden sollen, wie genau die sind weiß ich nicht)

- Das ganze ist so unmöglich zu fertigen. Die Düsenplatte müsste man bereits Lasern, aber die Facetten in den Abflusskanälen sind Mord für jeden Fräser. Da müsstest du mit winzigstem Werkzeug dran und das würde ewig dauern. Die Feinheit der Lamellen ist auch extrem abitioniert.

VHM-Schaftfräser, Durchmesser 0.6mm Eckenradius 0.06mm Arbeittiefe 3mm, Drehzahl 38.000, Forschub 1200mm/min, Zustellung 0.03mm.

Reine Fräszeit für die Rippen: 2h40min

Alles schon durchgerechnet und der Fräser ist ein Standartfräser für mich. Programmiere ihn jeden Tag und er ist sehr zuverlässig

Aber danke für die Anregungen. Werd mir das morgen nochmal ganz genau anschaun. Momentan ist mein Hirn im Standby. Die Woche war echt lang :-/

 

[_chris_]

AW: Vorstellung Kühlerentwicklung und Anregungsfindung

Der Kühler ist für AM3 gebaut . Preislich ist das allerdings ein Grab. Würde man den Kühler in einer Firma wie die, in der ich arbeite, bauen lassen, kämen ganz grob schätzungsweiße zwischen 1000 und 3000€ bei raus. Natürlich als Prototyp und nix mit Serie. Wenn jetzt der Deckel noch aus POM wäre, der Frame aus PC und der Kühler frästeschnisch optimiert und dann das ganze noch in Serie, käm man wahrscheinlich auf 100-150€, vllt auch unter 100€. Aber das sind alles nur Mutmaßungen und spielen hier auch keine Rolle (noch nicht ).

Das ist schon einiges. So viel hab ich nicht.^^ Aber wenn du doch mal einen über hast... Ich würde mich freuen. Alleine schon die Optik ist echt Spitze. Ist auch so ziemlich das Einzigste das ich bewerten kann. Fehlt nur noch ein Schönes Logo von dir.

MfG